风力机风轮叶片结构设计与分析_任腊春.docx

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1、 西华大学硕士学位论文 风力机风轮叶片结构设计与分析 流体机械及工程专业 研 究 生 任 腊 春 指 导 教 师 张 礼 达 风力发电机组主要零部件的设计与分析方法的研究是大中型国产化 风力发电机组的自主开发设计和批量生产的关键技术之一。本文在某 20KW风力机叶片的气动设计基础上，根据风力机叶片结构设计理论对其 进行了结构设计，包括载荷的计算、材料的选用、结构形式的确定、铺层 设计、根端连接设计等。随后利用三维建模软件 UG对已设计好的叶片进 行三维实体建模。最后应用 ANSYS有限元软件对所设计的叶片进行结构 特性有限元分析： （ 1)对叶片进行静强度分析，得到叶片在特定载荷工况 下的应力

2、与变形情况，并对其进行强度、刚度校核； （ 2)对叶片进行模态 分析，得到叶片的一阶挥舞频率和一阶摆振频率和振型，并分析比较了静 止时和额定转速运行时叶片的固有频率和振型，结果与实际相吻合； （ 3) 对叶片进行屈曲分析，得到叶片的屈曲载荷和屈曲变形，以及在特定的载 .荷工况下的稳定性情况。 从分析计算的结果可以看出，叶片的结构设计满足设计规范要求，验 . 证了设计及分析方法的可靠性，这将为风力机叶片的设计研究及分析提供 了一种新的途径。 关键词：风力机叶片；结构设计；有限元；特性分析 西华大学硕士学位论文 Structural Design and Analysis of Wind Turb

3、ine Rotor Blades Fluid Machinery and Engineering M.D.Candidate: Ren La-Chun Supervisor: Zhang Li-Da The method study of design and* analysis for main parts of wind turbine generating set, is one of key technical works during the large or medium-scale domestic wind turbine generating set has been dev

4、eloped independent and produced. On the basis of the aerodynamic design of a 20 KW wind turbine blade, this paper stated the structural design theory and did structural design for the blades, including computing the loading, selecting the material, determine the construction form, laminating design

5、and so on. Then, the three-dimensional body model of the blade was established through the UG software.Finally, the paper discussed emphatically how to perform finite element analysis of structural characteristics of wind turbine blades by ANSYS software. The major contents are as follows: (1) The a

6、nalysis on the Static strength of the blades which endure special loads was made, obtaining the result of stress and deformation, and the strength and stiffness was check. (2) Modal analysis was performed, and the first-order flapwise frequency and edgewise frequency and mode shape. The natural freq

7、uency and mode shape was discussed for the blades when it is static and run at rated speed, the result is in conformity with the actual. (3) Buckling analysis was made, the bucking loads and deformation is obtained and the stability of loaded blade was analyzed. According to the calculation results,

8、 the conclusion is that the structural design of wind turbine blades meet the design requirements and also verified the reliability of the method of design and analysis, providing a new approach to 西华大学硕士学位论文 design and analyze the wind turbine blades. Keywords: wind turbine blades; structural desig

9、n; FEM; characteristic analysis in 3丨 西华大学硕士学位论文 目录 m . . . 1 1.1国际风电现状与趋势 . 2 1.2国内风电发展现状与规划 . . . 4 1.3风力机叶片设计分析技术研究概况 . 6 1.3.1风力机叶片设计理论 . 6 1.3.2风力机叶片结构设计与分析 . 7 1.4本课题的研究方法及主要研究内容 . 7 1.4.1本课题的研究背景和意义 . 7 1.4.2本课逾的研究方法及所完成的工作 . 8 1.5本章小结 . 10 第二章风力机叶片结构的研究与设计 . 11 2.1风力机典型结构 . 11 2.1.1风力机分类 . 1

10、1 2.1.2风力机主要组成 . 13 2.2风力机叶片载荷分析 . 14 2.2.1载荷分类 . . 14 2.2.2载荷计算的坐标系 . . 15 2.2.3气动载荷 : . 17 2.2.4重力载荷 . 19 2.2.5离心力载荷 . 19 2.3风力机设计载荷 . 20 2.3.1 EEC设计风况 . 21 2.3.2正 C载荷工况 . 24 2.3.3使用载荷与设计载荷 . 25 2.3.4局部载荷安全系数 . 25 2.4叶片材料选择 . 26 2.4.1叶片材料特性 . 27 IV P _ 西 华 大 学 硕 士 学 位 论 文 _ _ 2.4.2玻璃钢复合叶片的特点 . 28

11、2.5叶片的结构设计 . 29 2.5.1叶片剖面结构形式设计 . 29 2.5.2叶片铺层设计 . -33 2.5.3叶片强度和变形计算 . 34 2.5.4叶片根端连接设计 . 36 2.5.5叶片频率的计算 . 37 2.6叶片结构设计算例 . 39 2.7本章小结 . 48 第三章风力机叶片三维模型的构建 . 49 3.1叶片各剖面翼型空间坐标的确定 . 49 3.1.1空间点的坐标变换思路 . 49 3.1.2空间坐标系的确定 . 49 3.1.3叶素各离散点空间实际坐标的确定 . 50 3.2叶片三维几何实体模型的建立 . 51 3.2.1叶片各截面曲线的生成 . 51 3.2.2

12、叶片及风轮几何模型的生成 . 52 3.2.3叶片曲面分析 . 53 3.3本章小结 . 53 第四章风力机叶片结构特性有限元分析 . 54 4.1叶片结构特性有限元分析理论基础 . 54 4.1.1结构有限元分析基本思想 . . . . 54 4.1.2结构有限元分析基本理论 . 55 4.2有限元分析软件 ANSYS . . . 61 4.2.1 ANSYS的组成及功能 . 61 4.2.2 ANSYS在风力机叶片结构分析中的应用 . 61 4.3叶片静强度计算与校核 . . 63 4.3.1叶片有限元模型的建立 . 63 4.3.2不同载荷工况下应力与变形计算 . 65 西华大学硕士学位

13、论文 4.3.3结果分析与评价 . . . . 69 4.4叶片模态分析 . . . . . -70 4.4.1静止时叶片固有频率和模态的计算 . . 70 4.4.2额定转速时叶片固有频率和模态的计算 . 73 4.4.3结果分析与评价 . . . . 73 4.5叶片屈曲分析 . 74 4.5.1叶片特征值屈 .曲分析 . 74 4.5.2叶片非线性屈曲分析 . / . . 75 4.6本章小结 . : . 77 第五章结论与展望 . 78 5.1本文结论 . . . 78 5.2研究展望 . 78 参考文献 . 80 攻读硕士学位期间发表的论文 . 84 . . . 85 麵 . 86

14、VI 西华大学硕士学位论文 CONTENTS Chapter 1 Introduction . . . 1 1.1 Present and Future Trend of Wind Power Abroad . 2 1.2 . Current Situation and Planning of Wind Power Domestic. 4 1.3 . Survey of Study on Design and Analysis of Wind Turbine Blades 6 1.3.1 Design Theory of Wind Turbine Blades . 6 1.3.2 Struct

15、ural Design and Analysis of Wind Turbine Blades 7 1.4 Method and Content of the Subject . . -.7 1.4.1 . Research Background and Meaning of the Subject . 7 1.4.2 Main Job of the Subject . 8 1.5 Summary of this Chapter . 10 Chapter 2 Research and Design of Structure for Wind Turbine Blades 11 2.1 Typi

16、cal Structure of Wind Turbine . 11 2.1.1 Classification of Wind Turbine . 11 2.1.2 . Main Components of Wind Turbine- . . . 13 2.2 Loading Analysis of Wind Turbine . 14 2.2.1 Classification of Loading . . 14 2.2.2 Coordinate System for Calculation of Loading . 15 2.2.3 Aerodynamic Loads . 17 2.2.4 G

17、ravity Loads . 19 2.2.5 Centrifugal Loads . 19 2.3 Design Loads of Wind Turbine . 20 2.3.1 IEC Design Wind Condition . . . . 21 2.3.2 IEC Loading Condition . 24 2.3.3 Applied Loads and Design Loads . 25 2.3.4 SafetyFactor of Local Loading . 25 2.4 Material Selection of Blades . VII 西华大学硕士学位论文 2.4.1

18、. Material.Characteristic of Blades. . . . 27 2.4.2 Advantage of GRP Blades . 281 2.5 Structural Design of Blades . . 29 2.5.1 Structural Form of Profile . 29 2.5.2 Ply Design . . 33 2.5.3 Calculation of Strength and Deformation . 34 2.5.4 Root Connection Design . . . 36 2.5.5 Calculation of Natural

19、 Frequency . 37 2.6 Example of Structural Design for Blades. 39 2.7 Summary of this Chapter . . 48 Chapter 3 Establishment of 3D Modeling for Wind Turbine Blades -49 3.1 Determination of Space Coordinate of Blade Section . 49 3.1.1 Idea of Coordinate Transformation . 49 3.1.2 Establishment of Space

20、Coordinate System . 49 3.1.3 Determination of the 入 ctual Space Coordinate of Discrete Points . 50 3.2 Establishment of the 3D solid model for Blades . 51 3.2.1 Determination of Blade Section Curve . 51 3.2.2 Building of Model for Blade and Rotor . 52 3.2.3 Analysis of Blade Surface . 53 ,3.3 Summar

21、y of this Chapter . 53 Chapter 4 Finite Element Analysis in Structure of Wind Turbine Blades 4.1 Theoretical Basis of Structural Finite Element Analysis 54 4.1.1 Basic Idea . 54 4.1.2 Basic Theory . 55 4.2 Introduction of ANSYS Software . 61 4.2.1 Construction and Function of ANSYS Software . 61 4.2

22、.2 Application of ANSYS Software in Structural Design of blades . 61 VIII _ 西华大学硕士学位论文 _ _ 4.3 Calculation and Checking of Strength of Blades . 63 4.3.1 Building of finite element model of Blades . 63 4.3.2 Stress and Deformation Calculation in Different Loading Case . .65 4.3.3 . Analysis and Evalu

23、ation of Results . 69 4.4 Mode Analysis of Blades . 70 4.4.1 Computations of Natural Frequency and Mode of Blade at Static . 70 4.4.2 Computations of Natural Frequency and Mode of Blade under Rated Speed . 73 4.4.3 Analysis and Evaluation of Results . 73 4.5 Buckling Analysis of Blades . 74 4.5.1 Ei

24、gen-buckling Analysis . 74 4.5.2 Nonlinear Buckling Analysis . 75 4.6 Summary of this Chapter . 77 Chapter 5 Conclusion and Prospect . 78 5.1 Conclusion . 78 5.2 Research Prospect . . 78 References . 80 Published Papers . 84 Statement . 85 Acknowledgements . 86 IX 西华大学硕士学位论文 第 一 章 绪 论 能源是经济和社会发展的重要物

25、质基础。社会工业化以来，世界能源 消费剧增，煤炭、石油、天然气等化石能源资源消耗迅速，生态环境不断 恶化，特别是温室气体排放导致日益严峻的全球气候变化，人类社会的可 持续发展受到严重威胁 1。随着人类社会的发展、科技的进步以及日益 严重的资源和环境问题的挑战，世界能源结构开始经历第三次大的变革， 即从煤炭、石油、天然气为主的能源系统，开始转向以可再生能源为基础 的能源系统。 - 从可再生能源的发展趋势来看，风能是最廉价的、最清洁的、最有开 发价值的可再生能源。与此同时，风电与其它能源相比有着其独特的优势 2 : (1)风能资源取之不尽，用之不竭。据世界气象组织分析估计，地 球上近地层的风能总量

26、约为 13000亿千瓦，从理论上讲，地球上 1%的风 能就能满足全世界的能源需求。 （ 2)风力发电有着良好的经济效益。和火 电相比，不存在建厂房、运输、除灰等问题，和水电相比，不存在筑坝、 淹地、移民等问题，发电后除折旧费和维护费外，不消耗燃料，无三废处 理问题，其成本略高于水电，接近火电，低于油电、核电，从综合经济效 益看，具有较强的竞争力。 （ 3)风电场建设周期短，而且可以分期建设； 装机规模灵活，既可单台安装，又可多台安装，互不干扰。建设一般规模 的风力发电场，从基础建设、安装到投产，只需半年至一年时间，而火电、 油电、核电约需 3 10年的时间。 （ 4)风能易于转化成电能，并且不

27、产生 污染，具有良好的环境敦益。由于风电不产生任何有害气体和不消耗水资 源，从而可以减少燃烧煤造成的污染，据估算，每 10万千瓦风电场的环 境效益估计每年约为 4000万元 3。 （ 5)风电在可再生能源发电中技术最 为成熟，商品化机组单机容量己达到兆瓦，是一种安全、可靠的能源利用 形式。 随着风力发电技术的成熟和向大规模、大型化、产业化方向的发展， 风力发电己成为风能利用的主要形式，也是新能源开发中技术最成熟、最 西华大学硕士学位论文 具有规模化开发和商业化发展前景的发电方式。为了充分利用风能资源， 减轻环境污染，缓解能源紧张局面，改善能 源结构，实现能源领域的可持 续发展，风力发电越来越受

28、到各国政府的重视，并在世界各国得到了广泛 的幵发和应用。我国也先后颁布了可再生能源法、制定可再生能源 中长期规划，为我国风电发展提供了法律保证。 1.1国际风电现状与趋势 4 5 风力发电发展较快的国家有：美国、德国、丹麦、西班牙、印度等， 他们都己有成热的大型的商业化产品，单机最大容量 5MW。 美国是利用 可再生能源的“ 超级大国 ” ， 1977年开始现代风能利用的研究， 1980年风 电达到商业化阶段。到目前为止，风电的单机造价已从 80年代初的 4000 美元降到 1000美元以下；发电成本从每千瓦时 20美元下降到 5.6美分左 右。德国的风电是在欧洲规模最大、发展最快的。丹麦是欧

29、洲著名的风电 王国， 1995年风电发电量占全国的 5%， 2000年风力机销售量占世界的 45%。印度是发展风电的 “ 一匹快马 ” 。 从上世纪 90年代以来，全世界的风力发电能力以平均每年 22%的速 度增长6。据世界风能委员会的统计数据， 2007年全球风电装机容量比 上年增长了 26.8%，达到了 94112MW。 装机容量 最大的国家依然是德国 , 装机容量 22247 M W， 之后依次为 .美国 (16818M W)、 西班牙 (15145 MW)、 印度 (8000 M W)和中国 (6050M W)。 全球总装机前十名的国家见表 1-1。 2007年新增容量最大的是：美国

30、(5244 MW)、 西班牙 (3522 MW)、 中国 (3449MW)、 印度 (1730MW)、 德国 (1667MW)和法国 （ 888MW)。 西华大学硕士学位论文 表 1-1 2007年底总装机容量前十的国家 . Table 1-1 Wind power installed capacity of Word in 2007 国家 装机容量 （ MW) 场占有率 （ ) 德国 22247 23.6 美国 16818 17.9 西班牙 15145 16.1 印度 8000 8.5 中国 6050 6.5 - 丹麦 3125 3.3 - 意大利 2726 2.9 法国 2454 2.6 英国 2389 2.5 葡萄牙 2150 2.3 前 10位总计 81104 86:2 其他 13008 13.8 全球总计 . 94112 风力发电机组技术